如何选择Peltier模块

2018年5月1日 作者:Bruce Rose

如何选择Peltier模块

电子应用中常用的热管理解决方案通过热交换器和流体流处理冷却对象。热交换器通常是电子封装本身,或是连接到封装上的挤压成型或冲压成型散热器。空气是热解决方案中最常用的流体,以自然对流或通过风扇推进的方式使用。在大多数此类解决方案中,冷却对象的温度都保持在室温以上。Peltier模块是旨在通过受控加热或冷却处理,将物体冷却至室温以下、或保持在特定温度的电子设备。选择或指定Peltier模块并不困难,但对模块特性的基本了解有助于确保流程顺利进行。

有待解决的热管理问题

许多电子元件在较低温度下信噪比会提高,或者在超过规格的温度下操作时易受损坏。同样,一些化学反应必须保持或低于特定温度。在这些应用中,Peltier模块可用于解决散热问题,并将物体冷却到传统散热器和风扇无法达到的低于室温的温度。此外,即使在承受快速波动的热负荷时,Peltier模块和适当的控制回路也能够将物体保持在特定温度。

Peltier模块基础知识

Peltier模块带有两块外接陶瓷板,中间以半导体颗粒隔开。气流通过半导体颗粒时,一块陶瓷板吸收热量(降温)而另一块则散发热量(升温)。有关Peltier模块构造和操作的更多详情可在本技术文章中查看。

Peltier模块基本构造图示
Peltier模块基本构造图示

在选择或指定Peltier模块时,应当了解如下限制条件,以下章节将作详细介绍:

  1. 通过模块传热
  2. 模块中的温差
  3. 模块高温侧的温度
  4. 模块表面积
  5. 所需工作电流
  6. 所需驱动电压

通过Peltier模块传热

要通过Peltier模块从低温侧向高温侧传递的热量以Q表示并以瓦特为单位。该参数可以是待冷却物体产生的热量,或是从被冷却物体传导至周围环境的热量。需要了解的是,Peltier模块不具备吸收热能的能力。Peltier模块仅传递热能,传递的能量需在模块的高温侧散发掉。

展示从模块低温侧向高温侧传递热流的模型
展示从模块低温侧向高温侧传递热流的模型

Peltier模块间的温差

Peltier模块数据表中规定的温差(ΔT)是在模块的两块陶瓷板的外表面上测得的。必须仔细了解Peltier模块陶瓷板与相关外部系统温度之间是否有温差。下图显示了Peltier模块系统的五个不同的温度区域。

显示Peltier模块不同温度区域的图表
显示Peltier模块不同温度区域的图表

Peltier模块高温侧的温度

Peltier模块的特性还会随着工作温度的变化而变化。CUI等有些供应商会提供多种工作温度下的规格数据,但可能无法针对应用的特定工作温度提供规格数据,因此应使用最接近的可用数据。

Peltier模块的表面积

Peltier模块的表面积通常是基于待冷却物体的面积或可用于散热的面积来确定的。可用面积与Peltier模块的面积不匹配时,可使用低热阻散热片来弥补。简易的散热片可以使用铝或铜来制作。

展示带有散热片的Peltier模块的图表
展示带有散热片的Peltier模块的图表

所需工作电流

Peltier模块是类似于LED的电流驱动设备。通过用受控电流源驱动模块并让电流源提供所需的负载电压(电流源的电压符合性),可以非常方便地实现所需的工作参数。这类似于向电压驱动装置提供特定电压,然后让电压源提供所需电流(即向微处理器提供电压并确保电压源可提供所需负载电流)。

Peltier模块可以用电压源驱动,但这样做会更难以精确控制整个模块的热流和温差。

所需工作电压

需根据Peltier模块数据表和工作限制条件判定电流源是否达到所需电压。

举例说明如何指定合适的Peltier模块

下列示例展示了为应用选择或指定Peltier模块的程序。在本示例中,我们将使用CP603315HPeltier模块

条件

  • 通过模块传热:20 W
  • 模块中的温差:20°C
  • 模块高温侧的温度:30°C (使用27°C曲线图)
  • 物体表面积:30 x 30mm
Peltier模块性能曲线图展示了寻找合适工作电压的步骤
  1. 在纵轴下方20W处画水平线,代表通过Peltier模块传输的功率。
  2. 在横轴下方20°C处画垂直线,代表Peltier模块上保持的温差。
  3. 将2.7 A的工作电流从横线(1)和纵线(2)相交处切入。这就是运行Peltier模块所需的电流。
  4. 在曲线图的上半部分标出纵线(2)与2.7 A的交点。
  5. 在步骤4中的交点与上方的纵轴之间画一条水平线,插入7.5 V的工作电压。这就是电流源所需达到的电压。

示例总结

  • 选定的Peltier模块:CP603315H
  • 通过Peltier模块传热:Q = 20 W
  • 在Peltier模块中保持的温度:ΔT = 20°C
  • Peltier模块高温侧的温度:Th = 30°C
  • 驱动Peltier模块所需的电流源:I = 2.7 A
  • 电流源所需达到的电压:V = 7.5 V
  • 除通过Peltier模块传递的热量之外,另外在散热器中散发的功率:P = 20 W
  • 散热器散发的总热量:40 W;20 W传递的热量另加20 W电功耗

结论

需要将物体冷却至室温以下或使物体保持特定温度时,Peltier模块就是最优的解决方案。为确保设计成功,务必要选择提供多种Peltier模块选项和充足表征数据的供应商。除了与可靠的供应商合作之外,了解有关模块实施和操作的细微详情(例如本文概述的基础知识)也至关重要。

有用资源

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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